ESC 1 – Biomechanik 29.10.2015

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Übung 4 – Neuromuskuläre Diagnostik 1

Isometrische und isokinetische Diagnostik der Muskelkraft

I. Theorieteil

1. Kraft – Längen & Kraft – Geschwindigkeit – Relation im Muskel

a) Aktive Kraft - Längen - Relation

Abbildung 1. Aktive Kraftlängenrelation des Muskels reduziert auf ein Sarkomer,

Adaptiert aus Gordon, J. Physiol. (1966), 184, pp. 170 – 192

Wie auf der Abbildung 1 zu erkennen ist, gibt es im menschlichen Muskel eine optimale

Länge eines Sarkomeres, in dem die größte Kraft generiert werden kann. Herzog et al. (2000)

beschreiben die optimal Länge zwischen 2,64µm und 2,81µm. Hier besteht die optimale

Anzahl an Querverbindungen (Crosslinks) zwischen Aktin und Myosin. Bei weitere

Verlängerung des Muskels, nehmen die Anzahl der Crosslinks ab und somit auch die

resultierende Kraft, die der Muskel generieren kann. Auch beim maximal verkürzten Muskel

ist die Arbeit von Aktin & Myosin nicht mehr ideal und die Kraftfähigkeit nimmt ab.

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b) Resultierende Kraft – Längen – Relation des Muskels aus aktiver + passiver K – L

– Relation

Bei einer Muskelkontraktion sind jedoch auch passiven stützenden Strukturen beteiligt (u.a.

die Muskelfaszie) Die Abbildung 2 zeigt die resultierende K – L – Relation (rot) aus der

aktiven K – L – Relation (blau) und passiven K – L – Relation (gelb). Hierbei gilt jedoch zu

beachten, dass an der maximalen Kraft, die wir mit Hilfe eines Dynamometers (z.B. Biodex

System III) messen, anteilig auch andere Muskeln beteiligt sind und die gemessene Kraft die

Summe der einzelnen an der Bewegung beteiligten Muskeln ist.

Abbildung 2: resultierende Kraft – Längen – Relation des m. Sartorius, aktiv (blau),

passiv (gelb), resultierend (rot), nachgezeichnet aus Herzog & Epstein, 1998

c) Kraft – Geschwindigkeit – Relation

Außer von der Faserlänge ist die Muskelkraft auch von der Geschwindigkeit abhängig, mit

der der Muskel kontrahiert. Die Abbildung 3 zeigt die Kraft – Geschwindigkeit – Relation. Ist

die Geschwindigkeit maximal, geht die Kraft, die erzeugt wird, gegen Null. Bewegt sich der

Muskel gar nicht, nennt man die Kraft, die so entsteht, isometrische Kraft. Fällt die

Geschwindigkeit dann noch weiter ab, wird also negativ, d.h. der Muskel wird gedehnt,

steigt die Muskelkraft weiter an.

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Abbildung 3: Moment – Geschwindigkeit – Relation nach Hill (1951)

2. Maximales Drehmoment: Welche Gelenkwinkel im Kniegelenk und Hüftgelenk bei der isometrischen Kontraktion

In Abbildung (Fig. 7) ist die Kraft-Längen-Relation der Muskeln M. vastus lateralis, M. vastus

intermedius, M. vastus medialis, M. rectus femoris (in Abhängigkeit vom Hüftwinkel bei 180°

sowie 90°) aufgetragen. Das maximale Drehmoment der Knieextensoren hängt vom

gewählten Hüftgelenkswinkel ab. Um das maximale isometrische Drehmoment im

Kniegelenk zu erhalten, sollte ein Winkel von 110-120° im Hüftgelenk gewählt werden (Fig. 8,

roter Pfeil).

90° 180°

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Anzumerken ist, dass 180° im Kniegelenk einem vollständig gestreckten Bein (Knieextension)

entspricht. Nach der Neutral-Null-Methode entsprechen 180° im vorliegenden Fall der

physiologischen Nullstellung im Kniegelenk. Somit muss unter Anwendung der NN-Methode

ein (Außen-)Winkel im Kniegelenk von 70°-80° gewählt werden. Zur maximalen

Drehmomententwicklung beträgt der Innenwinkel am Kniegelenk 110°-120° (Abb. 7, roter

Rahmen; Abb. 8, roter Pfeil).

3. Moment – Winkel – Relation bei isometrischer Kontraktion

Bei einer isometrischen maximalen Kontraktion bei verschiedenen Kniewinkeln ändern sich

die maximal erzeugten Momente. Abbildung 4 zeigt, dass es aufgrund der Kraft – Längen –

Relation im Quadriceps ein optimaler Kniewinkel für eine isometrisch ausgeführte

Kontraktion gibt. In einer Studie von Brüggemann & Ullrich (2007) stellte sich ein optimalen

Kniewinkel zur Krafterzeugung bei 111.5 ± 8.0 für Ausdauerläufer, 106.0 ± 9.3 für

Straßenradfahrer, 110.3 ± 8.6 für Triathleten und 103.3 ± 9.4 für Tennisspieler heraus. Wird

die Kontraktion in einem kleineren oder größeren Winkel gewählt, sinkt das maximale

Drehmoment. Bei 180 Grad kann der Muskel nur noch ca. 40% seiner maximalen

Kraftfähigkeit generieren. (Brüggemann & Ullrich, 2007).

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Abbildung 4, erwartete Moment – Winkel – Relation in isometrischen Kontraktionen bei

verschiedenen Kniegelenksstellungen.

4. Moment – Geschwindigkeit – Relation & Leistung – Geschwindigkeit – Relation für

isokinetische Kontraktionen am Beispiel des Kniegelenks

Der Abbildung 5 ist zu entnehmen, dass bei niedriger Bewegungsgeschwindigkeit (hier

30 ° 𝑠⁄ ) höhere Drehmomente (100% Pmax) generiert werden können, als bei höheren

Bewegungsgeschwindigkeiten (hier 45% Pmax bei 240 ° 𝑠⁄ ). Interessant ist auch, dass bei

niedrigeren Geschwindigkeiten höhere Leistungen erzeugt werden können und das P(max)

bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten in unterschiedlichen Stellungen des Kniegelenks

erreicht werden (Kawakami, 2005). Bei zunehmender Geschwindigkeit nimmt die erzeugt

maximale Leistung ab.

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Abbildung 5: erwartete Drehmoment – Geschwindigkeit – Relation & Drehmoment - Winkel

Relation im Kniegelenk. 180° beschreibt die volle Streckung des Kniegelenkes. Die Kurven

beschreiben die verschiedenen Geschwindigkeiten, mit denen die Bewegung ausgeführt

wurde. Von oben nach unten: 30, 60, 90, 120, 240 ° 𝑠⁄ , adaptiert nach Kawakami et al. 2005

5. Was versteht man unter einer ‚isokinetischen‘ Phase.

Die isokinetische Phase beschreibt den Zeitraum, in dem Winkelgeschwindigkeit des Gelenks

ungefähr gleich 0 ist. (Payton & Bartlett, 2008, S. 110-124).

Die Abbildung fünf verdeutlicht diese Phase graphisch.

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Abbildung 5, isokinetische Phase aus der Moment-Winkelgeschwindigkeit-Relation eines

isokinetischen Maximalkrafttestes im Kniegelenks nach Payton & Bartlett, 2008

6. Wie lässt sich aus den gemessenen Daten die maximale Leistung der Kniestrecker

bestimmen

Muskelkraft wird als das maximale Gelenksmoment definiert, das auf die verschiedenen Muskellängen und Ausführungsgeschwindigkeiten Einfluss nimmt. (Payton & Bartlett, 2008, S.104) Das maximale Moment während einer isokinetischen Bewegung ist ein Indikator für die

muskuläre Maximalkraft, die unter dynamischen Bedingungen auftritt. (Payton & Bartlett,

2008, S.124) Die Stellung der Gelenkswinkel ist für die Beurteilung von Muskelfunktion

wichtig. Es erlaubt Rückschlüsse über die mechanischen Eigenschaften der aktivierten

Muskelgruppen zu ziehen. (Payton & Bartlett, 2008, S.125) Berechnung:

M=r∗F =r∗F∗ sin 𝜃 = d ∗ F

F=M/d=𝑀

𝑟∗sin 𝜃

M ist Kniewinkelmoment.

r ist Kraftarm.

F ist Muskelkraft.

𝜃 ist der Winkel ziwischen r und F.

Abbildung 6, Berechnungen

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7. In den nächsten 12 Wochen nutzen Sie verstärkt exzentrische Kontraktionen im Training und erreichen nach weiteren 12 Wochen eine Verlängerung der Faserbündellänge im M. quadriceps femoris um 10%. Die PCSA bleibt unverändert. Wie verändern sich die Moment-Winkelgeschwindigkeits-Relation und die Leistungs-Geschwindigkeits-Relations? (Nutzen Sie dazu das folgende Diagramm).

Das folgende Diagramm fehlt, sodass die Antwort anhand MacDougall & Sale (2014), S. 257-258 erfolgt. Eine Verlängerung der Faserlänge führt zu einer insgesamt erhöhten Verkürzungsgeschwindigkeit. Dabei ist anzumerken, dass insbesondere exzentrisches Krafttraining zu einer Erhöhung der Sarkomere in Serie führt (konzentrisches Hypertrophietraining führt eher zu einer Erhöhung der Sarkomere in paralleler Schaltung). Die Sarkomergeschwindigkeit bleibt dabei gleich oder kann sogar leicht zurückgehen. Dadurch, dass nun aber mehr Sarkomere in Serie geschaltet sind und diese sich gleichzeitig verkürzen führt dies insgesamt zu einer gesteigerten Verkürzungsgeschwindigkeit (links = Force-Velocity-Relationship; rechts = Power-Velocity-Relationship). Beispielsweise kontrahiert ein Sarkomer der Länge 3,5 µm um v= 2µm, aber zwei Sarkomere mit jeweils 3,5 µm in Serie geschaltet um ebenfalls jeweils 2µm, sodass diese um insgesamt v=4 µm (2x2 µm) verkürzen (siehe skizzenhafte Darstellung der Sarkomere unterhalb der Schaubilder).

1 2

1

2

1 2

1

2

velocity

Force

velocity

power

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Untrainiert

Hypertrophietraining (mehr Sarkomere in parallel) Größere Fmax

Exzentrisches Training (mehr Sarkomere in Serie) Größere Vmax

8. Einfluss der Eigenschaften des Muskels auf die maximale Sprintgeschwindigkeit Die Eigenschaften des Muskels spielen eine große Rolle um eine hohe maximale Sprintgeschwindigkeit zu erreichen. Die Studie von Aramatzis et al. (2011) zeigt eine Verminderung der Sprintgeschwindigkeit durch eine kleinere Muskelquerschnittsfläche, eine Abnahme der Typ II Muskelfasern und eine geringere Faserlänge. Sie haben Einfluss auf die maximal Kraft und die an Leistung generierende Kapazität und sind folglich wichtig um eine hohe GRF und ein hohes RFD zu erzielen. Einer der wichtigsten Muskeleigenschaften ist der Einfluss der Kraft – Geschwindigkeit Relation von Muskelarbeit. Dies zeigt die Studie von Miller et al. (2012) bei der anhand eines 2 D Skelettmuskulatur-Models das Entfernen dieser Eigenschaft den größten Geschwindigkeitszuwachs im Vergleich zu den anderen Muskeleigenschaften, wie Erregung-Aktivierung oder die Kraft-Längen Relation, erzielte. Bei maximaler Sprintgeschwindigkeit bewegen sich die einzelnen Segmente mit hoher Geschwindigkeit. Gleichzeitig haben sie nur eine kurze Kontaktzeit mit dem Boden. Der Muskel hat eine kürzere Kontraktionszeit zur Verfügung und muss folglich mit einer höheren Kontraktionsgeschwindigkeit arbeiten, was nach der Relation zu einem Verlust der maximalen Kraft führt, die der Muskel in dieser Zeitspanne aufbringen kann. So wechselt der Körper auch seine Strategie zur Erhöhung der Sprintgeschwindigkeit bei 7 m/s von einer Erhöhung der Schrittlänge zu einer erhöhten Schrittfrequenz, was die Studie von Dorn et al. (2012) zeigt. Bis zu 7 m/s sind die Plantarflexoren, soleus und gastrocnemicus, hauptverantwortlich für den vertikalen Impuls. Ab 7 m/s steht ihnen nur noch eine kürzere Kontaktzeit um die nötige Kraft aufbringen zu können, zur Verfügung. Dabei müssen diese Muskeln bei einer relativ hohen Geschwindigkeit kontrahieren.

10 10

10 10

ISOmax = 10 10

10 10 10 10

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Diese Eigenschaft wird dabei auch durch die Fasereigenschaft und die maximal Kraft des Muskels beeinflusst. So zeigen die Typ II Fasern eine höhere Steifigkeit auf was zu einer höheren Kontraktionsgeschwindigkeit führt bei der der Muskel die maximale Leistung erzielt. Mit Hilfe einer höheren maximal Kraft kann der Muskel die gleiche Kraft aufbringen bei einer geringeren Kontraktionsgeschwindigkeit (Aramatzis et al.,2011). Die Simulation von Miller et al. (2012) zeigt, dass neben der Kraft-Geschwindigkeit Relation auch die anderen Eigenschaften, wie Erregung und Aktivierung und die Kraft- Längen Relation, einen Einfluss auf die maximale Sprintgeschwindigkeit haben. So könnte ein weiterer Grund für die ausbleibende Steigerung des vertikalen Impulses und damit der Verlängerung der Schrittlänge ab 7 m/s sein, dass die Faserlänge der plantarflexoren in der sie arbeiten müssen viel kürzer oder länger sind als die optimale Faserlänge zur Kraftgenerierung (Dorn et. al, 2012). Das zeigt dass vor allem die Interaktion der einzelnen Muskeleigenschaften ein wichtiger Faktor für den Einfluss auf die maximale Sprintgeschwindigkeit ist. Dies bestätigt auch die Studie von Miller et al. (2012). Hier entstand durch die Entfernung aller Muskeleigenschaften gleichzeitig in der Simulation die größte Steigerung in der Sprintgeschwindigkeit.

9. Beschreiben Sie anhand des Papers von Azizi et al., den Einfluss des Fiederungswinkels auf die Kontraktionsgeschwindigkeit des Muskels.

Grundsätzlich ist die Kontraktionsgeschwindigkeit limitiert durch die mechanischen

Eigenschaften der Myofibrillen, die Muskelkontraktionszellen. Des Weiteren ist sie

entscheidend abhängig von der Faszikellänge und dem Fiederungswinkel. Durch die

verschiedenen Bauweisen der Muskulatur, ergeben sich verschieden gefiederte Muskeln

(einfach gefiedert, zweifach gefiedert, mehrfach gefiedert). Daraus ergeben sich auch

verschiedene Fiederungswinkel. Der Fiederungswinkel ist die Winkelabweichung zwischen

der Wirkungsrichtung des Muskels und der Längenachse der Fasern. Durch den

Fiederungswinkel kann bei gleicher Muskeldicke eine größere Anzahl an Muskelfasern an der

Sehne ansetzen.

Die auf die Sehne übertragene Kraft (Fs) eines Muskels (FM) verringert sich mit steigendem

Fiederungswinkel (α) nach der Formel: Fs = FM * cos α. Somit ergibt sich, dass . Die

Gesamtleistung im Schnellkraftbereich ist von der Faszikellänge der beteiligten Muskeln und

den Fiederungswinkeln abhängig. Höhere Schnellkraftleistung = kleinerer Fiederungswinkel

und größere Faszikellänge (Kumagai K., 2000).

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II. Praktischer Teil

1. Skizzieren Sie eine Kraft-Deformations-Kurve für eine Sehne. Wie können Sie anhand dieser Kurve die Sehnensteifigkeit bestimmen?

Abbildung 7, Skizze einer Kraft-Deformationskurve für eine Sehne A & B

Der Abbildung 7 ist zu entnehmen, dass sich Sehne A und B durch ihre Steifigkeit

unterscheiden. Übt man eine Kraft auf die Sehne aus, so verformt sich die Sehne reversibel

aufgrund der Eigenschaften biologischer Materialien. Die Verformung kann man sich für die

Berechnung der Sehnensteifigkeit zur nutze machen. So lässt sich die Sehnensteifigkeit durch

die aufgewendete Kraft (F) sowie der Restdeformation (ΔL) berechnen. Die

Berechnungsgrundlage dafür lautet: 𝑘 =𝐹

∆𝐿 . Die Fläche, bzw. die Begrifflichkeit zwischen der

Ausgangslänge der Sehne und der Längenänderung der Sehne wird Hysteresis genannt.

2. Beschreiben Sie für alle drei abgebildeten Geräte wie das ‚netto‘ Drehmoment um

das Knie- und Sprunggelenk bestimmt wird.

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In allen Fällen handelt es sich um isometrische Messungen zur Bestimmung der Sehnensteifigkeit. In allen Fällen muss darauf geachtet werden, dass der Proband fest in der optimalen Position fixiert wird. Ausgleichsbewegungen sollten nicht möglich sein, da nur isoliert die jeweiligen „netto“-Gelenkmomente des Sprunggelenks- bzw. Kniegelenks untersucht werden wollen. Bei isometrischen Kontraktionen ist das innere Drehmoment gleich dem äußeren Drehmoment, d.h. die Entfernung zwischen Muskelursprung und Muskelansatz bleibt gleich (statisch):

∑ 𝑀 = 𝐼 ∗ ∝ = 0

Die Winkelbeschleunigung ∝ = 0 °/s (statische Bedingung). Die Summe der Momente = 0, da in der isometrischen Bedingung Mextern = - Mintern gilt. Die „netto“-Gelenkmomente werden über die Messung der externen Reaktionskraft mittels einer Kraftmessplatte erhoben. Dies erfolgt für die Geräte in Abb. 1 und 3. Die „netto“-Gelenkmomente am Knie (Abb. 2) werden über einen Kraftsensor/-aufnehmer (zwischen externem Hebelarm und dem Gerät) gemessen. Dazu muss im Vorfeld eine optimale Positionierung des Probanden erfolgen (interner Hebelarm = externem Hebelarm). Bei dieser Messung ist die Winkelbeschleunigung ∝ = 0 °/s (statische Bedingung), sodass auch die Winkelgeschwindigkeit 𝜔 = 0 bleibt:

𝜔𝑒𝑥𝑡 = 𝜔𝑖𝑛𝑡 = 0

3. Beschreiben Sie, wie Sie aus dem ‚gemessenen‘ Drehmoment auf die Sehnenkraft

schließen. Bitte berücksichtigen Sie hierbei auch die Co-Kontraktion der

Antagonisten.

Wenn der Drehmoment gegeben ist kann über die Formel zur Berechnung des

Drehmoments M = F1 * r durch Umstellung F1 = M/r die Kraft berechnet werden. Annahme

M = 300N. Bedeutet aufgrund der 10-30% Abzug durch die Co- Kontraktion (Seynnes et al.

2015, S. 137) 270 Nm Netto- Drehmoment. Des Weiteren fehlt nun noch der interne

Hebelarm der durch eine Ultraschallmessung bestimmt werden kann (S. 137). Annahme

0,15. Dabei würde die Sehnenkraft 1800N betragen. (270Nm)/0,15 = 1800N.

4. Beschreiben Sie für Bild 1 und 2, wie die Längenänderung der Sehne bestimmt wird.

Die Bestimmung der Längenänderung der Sehne während einer Kontraktion wird durch die „B-Mode Ultrasonographie“ durchgeführt. Diese wird oft benutzt um die Sehnenverformung der Achillessehne während einer ansteigenden (Rampe) isometrischer Plantarflexion (Bild 1)

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oder der Patellarsehne während einer ansteigenden (Rampe) isometrischer Knieextension (Bild 2) zu bestimmen (siehe Abbildung 8). Bei der indirekten Messung wird die proximale Insertion (Gastrocnemius medialis, myotendinous junction, patella apex) im passiven Zustand mit der Ultraschallsonde identifiziert und auf der Haut markiert. Danach wird die proximale Sehne und Aponeurose während der Kontraktion sichtbar gemacht und aufgenommen. Anhand des aufgenommenen Ultraschallvideos wird die Verschiebung mit Hilfe einer Computer Software durch einen gut zu identifizierenden Punkt an der proximalen Aponeurose in Bezug zu einem Referenzmarker gemessen. Diese Messung berücksichtigt nur die Veränderung der proximalen Insertion als repräsentativ. Dabei wird die Veränderung der distalen Insertion außer Acht gelassen. Studien haben jedoch gezeigt dass dies nicht unberücksichtigt bleiben darf, aufgrund der Verformung von weichem Gewebe und dem begleitenden Einfluss von Muskeln die als Synergisten und Antagonisten am gleichen Gelenk wirken (Seynnes et al., 2015). Um dem entgegen zu wirken, wird die Veränderung der distalen Insertion im passiven Zustand gemessen und später von der eigentlichen Längenveränderung während der Kontraktion abgezogen. Bei der direkten Messung wird die Bestimmung der Längenänderung mit Hilfe einer langen Ultrasonde (Bsp. 10 cm), mit der man die proximale und distale Insertion der Patellarsehne und der Achillessehne in ein Bild auf dem Scanner bekommt, möglich gemacht. Standard Ultrasonden (5-6 cm) können auch verwendet werden um den Patellar Apex und den proximalen Teil der Tibia während der Kontraktion sichtbar zu machen. Im Falle der längeren medialen Sehne des gastrocnemius benötigt man zusätzlich eine 2D oder 3D Videoanalyse die gleichzeitig die Position der Ultraschallsonde sowie den Calcaneus aufnimmt um die Veränderung beider Insertionen im gleichen Frame zu messen.

Abbildung 8, Experimenteller Aufbau zur Messung mechanischer Eigenschaften der Patellarsehne

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5. Mit dem beschrieben Messsetup können Sie die Sehnenkraft und die

Längenänderung der Sehne bestimmen. Wie können Sie nun den Elastizitätsmodul

bestimmen?

Mit der bestimmten Sehnenkraft und Längenänderung kann man den Elastizitätsmodul durch die folgende Formel bestimmen.

E =σ

ε=

F A⁄

∆L Lo⁄=

F ∗ Lo

A ∗ ∆L

F ist Sehnenkraft. A ist Querschnittsfläche der Sehne. ∆L ist die Längenänderung der Sehne(=L-Lo). Lo ist die ursprüngliche Länge der Sehne.

6. Berechnen Sie anhand der gegebenen Daten die Steifigkeit und das Elastizitätsmodul der Sehne.

Wir möchten uns für das Fehlen der Aufgabe 6 entschuldigen, da uns die zur Berechnung des

Elastizitätsmodul und der Steifigkeit, die erforderlichen Messdaten fehlen.